Die Welle, die nicht weiß war
Hier ist etwas, das Ihren Blick auf die japanische Kunst verändern wird: Die strahlenden Weißtöne in Hokusais berühmten Holzschnitten sind eigentlich gar nicht weiß. Der Schaum auf seinen Wellen, der Schnee auf dem Gipfel des Fuji, die zarten Wolken – all diese leuchtende Weiße entsteht durch die Textur des Washi-Papiers selbst. Licht wird an den freiliegenden Papierfasern gestreut und in alle Richtungen reflektiert, was unsere Augen als helles, reines Weiß interpretieren.
Kein Pigment. Nur Physik, die ihren Lauf nimmt.
Dieses Phänomen wird als strukturelle Weiße bezeichnet und war in der Natur lange vor der menschlichen Erforschung offensichtlich vorhanden. Meerschaum, Wolken, frischer Schnee – keines davon enthält „weißes Material“. Sie besitzen lediglich die richtige mikroskopische Architektur, um sichtbares Licht extrem effektiv zu streuen.
Nun haben Wissenschaftler herausgefunden, wie man diesen uralten Trick für moderne Materialien nutzen kann. Ziemlich cool, oder?
Zwei Probleme, eine clevere Lösung
Das internationale Forschungsteam hinter dieser Studie – geleitet von Professor Easan Sivaniah am Institut für Integrierte Zell-Material-Wissenschaften der Kyoto-Universität, in Zusammenarbeit mit der Metropolitanen Universität Tokio und der Donghua-Universität – wollte zwei große Herausforderungen in der Materialwissenschaft lösen.
Erstens: Titandioxid. Dieses Mineral ist allgegenwärtig – in weißen Verpackungen, Folien, Beschichtungen und sogar in einigen Lebensmitteln (wo es früher als Zusatzstoff E171 gekennzeichnet war). Es sorgt für Helligkeit und Undurchsichtigkeit, was für Hersteller ideal ist. Doch hier liegt das Problem: Die Europäische Union hat Titandioxid kürzlich als Lebensmittelzusatzstoff aus Sicherheitsgründen verboten. Das ist ein großes Thema, da Unternehmen weltweit nun nach Alternativen suchen.
Zweitens: PFAS. Diese Substanzen werden oft als „Ewigkeitschemikalien“ bezeichnet. Diese fluorierten Verbindungen helfen Materialien, Wasser und Öl abzuweisen, was nützlich klingt – bis man bedenkt, dass sie in der Umwelt praktisch unbegrenzt verbleiben und gesundheitliche Risiken bergen könnten. Der globale Druck, Ersatzstoffe zu finden, steigt.
Das Forschungsteam dachte: Was, wenn wir keines von beiden bräuchten? Was, wenn wir Materialien entwickeln könnten, die ihre Weiße und Wasserabweisung allein durch ihre physikalische Struktur erhalten?
Die Natur hat das bereits gelöst
Die Forscher ließen sich von einigen überraschenden Quellen inspirieren. Das Lotusblatt, berühmt für seine wasserabweisende „selbstreinigende“ Oberfläche? Das ist eine Frage der Textur, nicht einer chemischen Beschichtung. Die schaumigen Nester, die einige Frösche zum Schutz ihrer Eier bauen? Nur Luft und Struktur, keine Zusatzstoffe erforderlich.
Die Strategie ist elegant: Statt Materialien Stoffe hinzuzufügen, um ihr Verhalten zu steuern, wird dieses Verhalten von Anfang an in die physikalische Architektur des Materials integriert.
„Eine der größten Herausforderungen der biomimetischen Wissenschaft besteht darin, umweltfreundliche Materialdesigns, die von der Natur inspiriert sind, in dem Maßstab und zu den Kosten bestehender Materialien umzusetzen“, sagte Associate Professor Taiki Yanagishima von der Metropolitanen Universität Tokio.
Und genau das ist ihnen gelungen.
Der Prozess: Licht, Lösungsmittel, Magie
Hier wird es spannend. Die entwickelte Technik heißt Deep Foam Photolithography (DFP), und ihre Schönheit liegt in ihrer Einfachheit.
Zuerst wird Licht auf einen Polymerfilm gerichtet. Dieses Licht zerlegt das Polymer in kleinere Fragmente. Dann wird ein mildes Lösungsmittel aufgetragen, das diese Fragmente zum Aufquellen und Ausdehnen bringt.
Während sich das Material ausdehnt, bildet sich ein Netzwerk aus mikroskopisch kleinen Poren – wie ein extrem feiner Schaum. Diese schwammartige Struktur bewirkt zwei bemerkenswerte Dinge gleichzeitig: